Nanofili dentellati di Platino permettono un notevole aumento di efficienza e riduzione di costi per le celle ad idrogeno

Plasmare il platino in forma di nanofili “dentellati” e usarlo come catalizzatore nelle celle a idrogeno ne moltiplica l’efficienza e ne riduce drammaticamente i costi.

Una collaborazione internazionale che comprende un ricercatore del CNR-ICCOM sviluppa un metodo che riduce di 50 volte la quantità di platino necessaria rispetto ai catalizzatori correnti.

Nanofili “dentellati” di platino sono ottenuti rimuovendo nickel da nanofili regolari in lega platino-nickel.

Una collaborazione internazionale che comprende un ricercatore del CNR-ICCOM assieme a colleghi americani e cinesi ha mostrato come plasmando il platino in forma di nanofili con superfici irregolari (“dentellate” o “jagged” in inglese) si possa ridurre di 50 volte la quantità di questo metallo prezioso nei catalizzatori delle celle a combustibile a idrogeno e quindi abbatterne drammaticamente i costi e rendere possibile ad es. lo sviluppo economico delle auto a idrogeno. Le celle a idrogeno sono dispositivi in cui si realizza la reazione controllata di idrogeno e ossigeno per produrre elettricità, generando solo acqua pura come sottoprodotto. Rappresentano quindi una delle possibilità più attraenti di una tecnologia pulita e rinnovabile per risolvere il problema del trasporto su autoveicoli, evitando l’uso dei combustibili di origine fossile come la benzina e quindi l’emissione di prodotti della combustione quali l’anidride carbonica nell’ atmosfera che sono responsabili di inquinamento e riscaldamento globale. Le celle a idrogeno per funzionare hanno bisogno di catalizzatori, cioè di sostanze che accelerano le reazioni elettrochimiche così da produrre l’energia necessaria con potenza sufficiente, soprattutto al catodo dove avviene la reazione di riduzione dell’ossigeno. Al momento catalizzatori a base di platino, elemento raro e prezioso, sono gli unici che raggiungono efficienze vicine a quelle richieste, ma la quantità di platino utilizzato è talmente elevata da renderne impossibile la diffusione a livello globale per motivi di costo e di sostenibilità (usando la tecnologia attualmente disponibile l’abbondanza di platino sulla terra non è sufficiente da consentire di costruire un miliardo di marmitte catalitiche a idrogeno). Ciascuna delle principali industrie automobilistiche investe quindi circa duecento milioni di euro all’ anno in ricerca per sviluppare macchine a idrogeno, e uno dei pochi problemi chiave da risolvere è appunto lo sviluppo di catalizzatori da usare nelle celle a idrogeno molto più efficienti di quelli attuali.

In uno studio pubblicato giovedì 17 novembre 2016 scorso sulla rivista Science, il gruppo di ricercatori ha mostrato come plasmando il platino in forma di fili di dimensioni nanometriche (“nanofili”) con struttura caratteristica irregolare “dentellata” (“jagged” in inglese) rispetto a quella più regolare realizzata finora si creino nuovi tipi di siti catalitici altamente attivi che riducono le barriere e accelerano la reazione di riduzione dell’ossigeno aumentando così enormemente l’efficienza catalitica. Questo, assieme alla dimensione nanometrica di questi fili tale che la maggior parte del platino è alla superficie invece che all’ interno della struttura dove sarebbe inutile ai fini catalitici, fa sì che la quantità di platino necessaria per realizzare una cella a idrogeno si riduca di 50 volte rispetto ai catalizzatori attuali, abbattendo drammaticamente i costi e rendendo in linea di principio compatibile la diffusione a livello globale di celle a idrogeno coll’ abbondanza naturale di questo metallo prezioso e raro.

Secondo Alessandro Fortunelli del CNR-ICCOM di Pisa, co-autore di questo studio, “questo lavoro è un esempio perfetto di come ricerche a livello fondamentale che portino a una comprensione microscopica dei processi possano permettere dei progressi da gigante nel campo delle nanotecnologie con effetti benefici per l’ambiente e la società in generale. Il presente studio è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia e dalla National Science Foundation americane, ma va ricordato come le sue basi teoriche siano state gettate in uno studio precedente realizzato in collaborazione con alcuni degli attuali co-autori, e reso possibile da una Short-Term Mobility del CNR”.

Oltre a CNR-ICCOM, le altre istituzioni coinvolte in questo studio sono la University of California at Los Angeles (Los Angeles, USA), il California Institute of Technology (Pasadena, USA), la Tsinghua University (Pechino, Cina), l’Accademia delle Scienze cinese (Pechino, Cina), la California State University (Long Beach, USA), la Northeastern University (Boston, USA), e il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkley, CA, USA).

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